universidad internacional del ecuador · inmensamente agradecido con mis padres por ser mis guías...
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i
Universidad Internacional del Ecuador
Facultad de Ingeniería Mecánica Automotriz
Proyecto de grado para la obtención del título de Ingeniería en Mecánica Automotriz
Estudio de factibilidad técnica y económica para la implementación de la red eléctrica
en iluminación en el tecnicentro Fransan 3 por medio de un sistema fotovoltaico de
paneles solares.
José Manuel Bravo Pacheco
Director: Ing. Daniela Jerez
Guayaquil, Septiembre 2018
ii
UNIVERSIDAD INTERNACIONAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA AUTOMOTRIZ
CERTIFICACIÓN Y ACUERDO DE CONFIDENCIALIDAD
Yo, José Manuel Bravo Pacheco, declaro bajo juramento, que el trabajo aquí descrito es de
mi autoría; que no ha sido presentado anteriormente para ningún grado o calificación
profesional y que se ha consultado la bibliografía detallada.
Cedo mis derechos de propiedad intelectual a la Universidad Internacional del Ecuador, para
que sea publicado y divulgado en internet, según lo establecido en la Ley de Propiedad
Intelectual, reglamento y leyes.
JOSÉ MANUEL BRAVO PACHECO
CI. 0923002109
iii
UNIVERSIDAD INTERNACIONAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA AUTOMOTRIZ
CERTIFICADO
Ing. Daniela Jerez
CERTIFICA
Que el trabajo de “ESTUDIO DE FACTIBILIDAD TÉCNICA Y ECONÓMICA PARA LA
IMPLEMENTACIÓN DE LA RED ELÉCTRICA EN ILUMINACIÓN EN EL
TECNICENTRO FRANSAN 3 POR MEDIO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO DE
PANELES SOLARES.” realizado por el estudiante: José Manuel Bravo Pacheco ha sido
guiado y revisado periódicamente, cumpliendo las normas estatuarias establecidas por la
Universidad Internacional del Ecuador, en el Reglamento de Estudiantes.
Debido a que constituye un trabajo de excelente contenido científico que coadyuvará a la
aplicación de conocimientos y al desarrollo profesional, si recomiendo su publicación. Este
trabajo consta de un empastado que contiene toda la información de este trabajo. Autoriza
el señor: José Manuel Bravo Pacheco que lo entregue a la biblioteca de la facultad, en calidad
de custodia de recursos y materiales bibliográficos.
Guayaquil, Septiembre del 2018
Ing. Daniela Jerez
Docente de catedra
iv
DEDICATORIA
Este proyecto va dedicado a Dios por permitirme dar la gracia de vida y así poder lograr
culminar una etapa más de mi vida gracias a los dones y bendiciones que ha derramado sobre
mí.
A mi padre Manuel Antonio Bravo Cedeño por ser mi apoyo incondicional y ejemplo en
la vida, demostrándome siempre buenos valores y brindándome enseñanzas que me
convierten en mejor ser humano y profesional cada día.
A mi madre Yoli Deyci Pacheco Gorotiza por su paciencia a lo largo de mi carrera y
siempre dándome ánimos y alentándome en todos los proyectos que he realizado
brindándome su amor incondicional.
v
AGRADECIMIENTO
Agradezco a Dios por darme el don de vida y permitirme tener una hermosa familia que
me brinda su apoyo incondicional y así poder realizarme como un gran ser humano y un
excelente profesional.
Inmensamente agradecido con mis padres por ser mis guías y mostrarme que con
sacrificio y responsabilidad se puede lograr todo lo propuesto en la vida.
Al tecnicentro Fransan por haberme dado la confianza y brindarme todas las facilidades
para poder realizar mi proyecto de titulación.
A mi mejor amigo Andrés Sánchez por demostrarme ser una excelente persona y
apoyarme en todos los momentos difíciles a lo largo de mi carrera, siempre alentándome y
brindándome su apoyo incondicional.
Agradecido con todo el personal docente y administrativo de la Facultad Ingeniería
Automotriz por su invaluable tiempo dedicado, sus aportes, enseñanzas y consejos que han
sido pilar fundamental en la formación de mi carrera profesional y en mi vida misma.
vi
ÍNDICE
CERTIFICACIÓN Y ACUERDO DE CONFIDENCIALIDAD .......................................... ii
CERTIFICADO .................................................................................................................... iii
DEDICATORIA ................................................................................................................... iv
AGRADECIMIENTO ........................................................................................................... v
RESUMEN ......................................................................................................................... xiv
ABSTRACT ........................................................................................................................ xv
CAPÍTULO I ....................................................................................................................... 16
PRELIMINARES ................................................................................................................ 16
1.1 Definición del Problema ....................................................................................... 16
1.2 Objetivos .................................................................................................................... 17
1.2.1. Objetivo general ................................................................................................. 17
1.2.2. Objetivos específicos.......................................................................................... 17
1.3 Alcance ...................................................................................................................... 17
1.4 Justificación e importancia de la investigación ......................................................... 17
1.5 Marco Metodológico ................................................................................................. 18
1.5.1 Método de investigación ..................................................................................... 18
CAPÍTULO II ...................................................................................................................... 19
MARCO TEÓRICO ............................................................................................................ 19
2.1 Marco Teórico ........................................................................................................... 19
2.1.1 Energías renovables en Ecuador ......................................................................... 19
2.1.2. Utilización de energías renovables ..................................................................... 20
2.1.3. Tipos de energías renovables ............................................................................. 21
2.1.4. Producción de energía solar fotovoltaica ........................................................... 22
2.2 Conversión de energía solar en electricidad .............................................................. 22
2.2.1. Materiales Semiconductores .............................................................................. 23
2.2.2. Unión “p-n” ........................................................................................................ 24
2.2.3. Ancho de banda prohibida.................................................................................. 25
vii
2.3 Células Fotovoltaicas ................................................................................................. 26
2.4 Fabricación de células fotovoltaicas .......................................................................... 27
2.4.1. Fabricación de células de silicio monocristalino ................................................ 28
2.4.1.1 Elaboración del silicio .................................................................................. 28
2.4.1.2 Fabricación de la célula de silicio monocristalino........................................ 28
2.4.2 Otros tipos de células fotovoltaicas ..................................................................... 30
2.4.2.1 Fabricación de células de silicio Policristalino............................................. 30
2.4.2.2 Fabricación de células de película delgada. Células de deposición ............. 31
2.4.3 Tipos de células de película delgada ................................................................... 33
2.4.4 Estructura de las células fotovoltaicas ................................................................ 38
2.5 Módulo solar .............................................................................................................. 39
2.6 Descripción de sistemas fotovoltaicos ....................................................................... 41
2.6.1 Sistemas de generación aislados ......................................................................... 41
2.6.1.1 Directamente conectados a una carga ........................................................... 41
2.6.1.2 Sistemas con regulador y batería .................................................................. 42
2.6.1.3 Sistemas con regulador, batería e inversor ................................................... 42
2.7 Componentes de un sistema solar fotovoltaico Aislado ............................................ 43
2.7.1 Acumuladores o Baterías eléctricas .................................................................... 43
2.7.1.1 Conexión de baterías .................................................................................... 43
2.7.2 Tipos de baterías.................................................................................................. 44
2.7.2.1 Baterías de Plomo-Ácido .............................................................................. 44
2.7.2.2 Baterías de Níquel-Cadmio .......................................................................... 45
2.7.3 Reguladores de carga .......................................................................................... 45
2.7.4 Inversores de corriente ........................................................................................ 46
CAPITULO III .................................................................................................................... 48
DISEÑO DE PLANOS ........................................................................................................ 48
3.1 Diseño del Taller ....................................................................................................... 48
3.2 Ubicación geográfica del tecnicentro Fransan 3........................................................ 49
3.3 Diseño de la red eléctrica en iluminación actual del tecnicentro Fransan 3 .............. 50
3.4 Propuesta del tipo de sistema fotovoltaico a utilizar ................................................. 52
3.4.1. Diseño de la red eléctrica en iluminación propuesto para el sistema fotovoltaico
aislado........................................................................................................................... 52
viii
3.4.2. Diseño del plano para el sistema fotovoltaico aislado en el tecnicentro
automotriz Fransan 3 .................................................................................................... 53
3.5 Cálculos de consumo ................................................................................................. 54
3.5.1. Consumo eléctrico del sistema actual tecnicentro Fransan 3 ............................. 54
3.5.2. Consumo eléctrico del diseño propuesto para la red eléctrica de iluminación .. 55
3.5.3. Cálculo para dimensionamiento de baterías del sistema fotovoltaico aislado ... 56
3.5.4. Dimensionamiento de baterías ........................................................................... 58
3.5.5. Cálculo para dimensionamiento de paneles solares ........................................... 59
3.5.6. Cálculo para determinar el controlador de carga .............................................. 61
3.5.7. Cálculo para determinar el inversor del sistema ................................................ 62
3.6. Plan de contingencia ................................................................................................. 62
3.6.1. Diseño del plano sistema fotovoltaico aislado con panel de transferencia ........ 62
CAPÍTULO IV .................................................................................................................... 64
ANÁLISIS FINANCIERO .................................................................................................. 64
4.1 Cargas y costos del consumo del sistema eléctrico en iluminación actual del
tecnicentro Fransan 3 ....................................................................................................... 64
4.2 Cargas y costos del consumo del sistema eléctrico en iluminación propuesto para el
estudio. ............................................................................................................................. 65
4.3 Presupuesto para la implementación del sistema fotovoltaico aislado ...................... 65
4.4 Costo del sistema de iluminación actual del tecnicentro Fransan 3 en 5 años .......... 66
4.4.1. Costo del sistema de iluminación actual del tecnicentro Fransan 3 en 10 años . 67
4.4.2. Costo del sistema de iluminación actual del tecnicentro Fransan 3 en 20 años . 67
4.4.3. Costo beneficio del sistema convencional en iluminación con el sistema
fotovoltaico aislado en 20 años .................................................................................... 68
4.4.4. Equipos del sistema fotovoltaico aislado a renovar en el transcurso de 5 años . 69
4.4.5. Equipos del sistema fotovoltaico aislado a renovar en el transcurso de 10 años
..................................................................................................................................... .69
4.4.6. Equipos del sistema fotovoltaico aislado a renovar en el transcurso de 20 años.
...................................................................................................................................... 70
4.4.7. Costo del sistema fotovoltaico aislado en 5 años ............................................... 70
4.4.8. Costo del sistema fotovoltaico aislado en 10 años ............................................. 71
ix
4.4.9. Costo del sistema fotovoltaico aislado en 20 años ............................................. 71
CAPÍTULO V...................................................................................................................... 72
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................................. 72
5.1 Conclusiones .............................................................................................................. 72
5.2 Recomendaciones ...................................................................................................... 73
BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................. 74
ANEXOS…………………………………………………………………………………..76
x
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Interacción de la radiación luminosa con los electrones de valencia ................... 23
Figura 2. Semiconductor unión p-n ..................................................................................... 25
Figura 3. Semiconductor de silicio tipo “p” ........................................................................ 25
Figura 4. Funcionamiento de una célula fotovoltaica.......................................................... 26
Figura 5. Método Czochralski ............................................................................................. 29
Figura 6. Célula de silicio monocristalino ........................................................................... 30
Figura 7. Célula de silicio policristalino .............................................................................. 31
Figura 8. Módulo de silicio amorfo ..................................................................................... 31
Figura 9. Célula CIGS insertadas sobre un soporte flexible................................................ 34
Figura 10. Célula CIGS insertadas sobre un soporte flexible.............................................. 34
Figura 11. Célula de arseniuro de galio ............................................................................... 35
Figura 12. Célula de arseniuro de galio ............................................................................... 36
Figura 13. Elementos de un módulo fotovoltaico................................................................ 39
Figura 14. Sistema aislado directo conectado a una carga .................................................. 42
Figura 15. Sistema aislado con regulador y batería ............................................................. 42
Figura 16. Sistema aislado con regulador, batería e inversor .............................................. 43
Figura 17. Gráfico batería plomo-ácido .............................................................................. 44
Figura 18. Inversor de corriente continua a corriente alterna .............................................. 46
Figura 19. Plano planta baja del tecnicentro automotriz Fransan 3..................................... 48
Figura 20. Plano planta alta del tecnicentro automotriz Fransan 3 ..................................... 49
Figura 21. Ubicación geográfica tecnicentro Fransan 3 ...................................................... 49
Figura 22. Vista frontal del tecnicentro Fransan 3 .............................................................. 50
Figura 23. Detalle de simbologías eléctricas con descripción de objetos en plano eléctrico
de iluminación ..................................................................................................................... 50
Figura 24. Plano sistema eléctrico en iluminación actual planta baja del tecnicentro
automotriz Fransan 3 ........................................................................................................... 51
Figura 25. Plano de iluminación actual planta alta del tecnicentro automotriz Fransan 3 .. 51
Figura 26. Plano sistema eléctrico en iluminación propuesto planta baja del tecnicentro
automotriz Fransan 3 ........................................................................................................... 52
Figura 27. Detalle de simbologías eléctricas para el plano del sistema en iluminación
propuesto ............................................................................................................................. 53
Figura 28. Plano de iluminación propuesto planta alta del tecnicentro automotriz Fransan 3
............................................................................................................................................. 53
xi
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Tipos de materiales eléctricos ............................................................................... 23
Tabla 2. Parámetros de diseño células fotovoltaicas ........................................................... 27
Tabla 3. Parámetros de diseño células fotovoltaicas ........................................................... 28
Tabla 4. Ventajas de células de película delgada ................................................................ 32
Tabla 5. Rendimiento-ventaja- desventajas de células solares ........................................... 37
Tabla 6. Diseño estructural de homounión en una célula fotovoltaica ................................ 38
Tabla 7. Estructura de un módulo fotovoltaico ................................................................... 40
Tabla 8. Características baterías níquel-cadmio .................................................................. 45
Tabla 9. Tipos de reguladores............................................................................................. 46
Tabla 10. Tipos de inversores .............................................................................................. 47
Tabla 11. Descripción de componentes del sistema fotovoltaico aislado ........................... 53
Tabla 12. Cargas de energía del sistema eléctrico actual de iluminación ........................... 55
Tabla 13. Cargas de energía del nuevo diseño de iluminación ........................................... 56
Tabla 14. Cálculo de potencia total al día de consumo eléctrico en iluminación ................ 57
Tabla 15. Datos para el cálculo del dimensionamiento de baterías ..................................... 58
Tabla 16. Dimensionamiento de baterías ............................................................................ 59
Tabla 17. Datos para Dimensionamiento de paneles solares ............................................... 59
Tabla 18. Dimensionamiento de paneles solares. ................................................................ 60
Tabla 19. Datos para el cálculo del controlador de carga .................................................... 61
Tabla 20. Cálculo del controlador de carga ......................................................................... 61
Tabla 21.Cálculo del inversor de corriente ......................................................................... 62
Tabla 22. Componentes del sistema fotovoltaico aislado con panel de transferencia ........ 63
Tabla 23. Cargas y costos del consumo de energía en iluminación del sistema actual ....... 64
Tabla 24. Cargas y costos del consumo de energía en iluminación del sistema eléctrico
propuesto ............................................................................................................................. 65
Tabla 25. Presupuesto del sistema fotovoltaico aislado para el tecnicentro Fransan 3 ....... 66
Tabla 26. Costo del sistema actual para el tecnicentro Fransan 3 en 5 años ....................... 67
Tabla 27. Costo del sistema actual para el tecnicentro Fransan 3 en 10 años ..................... 67
Tabla 28. Costo del sistema actual para el tecnicentro Fransan 3 ....................................... 68
Tabla 29. Costo beneficio del sistema fotovoltaico en 20 años........................................... 68
Tabla 30. Detalle financiero de equipos que se renovarán en 5 años .................................. 69
Tabla 31. Detalle financiero de equipos que se renovarán en 10 años ................................ 69
xii
Tabla 32. Detalle financiero de equipos que se renovarán en 20 años ................................ 70
Tabla 33. Detalle financiero del costo total del sistema fotovoltaico aislado en 5 años ..... 70
Tabla 34. Detalle financiero del costo total del sistema fotovoltaico aislado en 10 años ... 71
Tabla 35. Detalle financiero del costo total del sistema fotovoltaico aislado en 20 años ... 71
xiii
ÍNDICE DE ECUACIONES
Ec.( 1) Potencia total en vatios ............................................................................................ 54
Ec.( 2) Potencia total en kilovatios ...................................................................................... 54
Ec.( 3) Potencia total en vatios sistema propuesto .............................................................. 55
Ec.( 4) Potencia total en kilovatios sistema propuesto ........................................................ 56
Ec.( 5) Potencia total diaria unitaria .................................................................................... 57
Ec.( 6) Potencia total diaria ................................................................................................. 57
Ec.( 7) Dimensionamiento de baterias ................................................................................. 58
Ec.( 8) Dimensionamiento de paneles solares ..................................................................... 60
Ec.( 9) Dimensionamiento del controlador de carga ........................................................... 61
Ec.( 10) Potencia del inversor.............................................................................................. 62
xiv
RESUMEN
El siguiente proyecto muestra los beneficios obtenidos al elaborar un estudio técnico y
económico para la implementación de un sistema de iluminación en un tecnicentro
automotriz, mostrando que se puede ahorrar dinero y a su vez ser amigables con el medio
ambiente mediante el uso de energías renovables.
El presente proyecto consta de cinco capítulos los cuales se encuentran distribuidos de
manera que muestren el entendimiento del funcionamiento del sistema fotovoltaico, un
análisis técnico de consumos y dimensionamientos de sus componentes, así como el
respectivo análisis económico para la conclusión de la viabilidad del estudio.
Siendo el primer capítulo la muestra del problema que radica en el Ecuador debido al
paso lento en utilización de energías alternas limpias específicamente en sistemas
fotovoltaicos, estableciendo los objetivos a cumplir en el proyecto.
En el capítulo II se realiza una recopilación de los temas más importantes y principios
básicos a entender para que un sistema solar fotovoltaico se lleve a cabo.
El capítulo III muestra la elaboración de los planos del sistema fotovoltaico aislado, así
como el dimensionamiento del tecnicentro y todos los cálculos pertinentes para lograr un
óptimo funcionamiento para cada uno de los componentes que conforman el sistema, siendo
el capítulo IV el análisis financiero demostrando los costos de aplicación, instalación,
reposición de equipos y comparaciones del sistema convencional de energía eléctrica del
país con un sistema fotovoltaico aislado.
En el último capítulo logramos definir nuestras conclusiones y recomendaciones una vez
desarrollado el estudio para la implementación de la red eléctrica en iluminación por medio
de un sistema fotovoltaico de paneles solares.
Palabras claves: Fotovoltaico, iluminación, energía solar, red.
xv
ABSTRACT
The following project demonstrate the benefits obtained when preparing a technical and
economic study for the implementation of a lighting system in an automotive workshop,
showing that money can be saved and at the same time be friendly with the environment
through the use of renewable energy.
This project has five chapters which are distributed in a way that we can show the
understanding of the functioning of the photovoltaic system, a technical analysis of
consumptions and measurements of each component as well as the respective economic
analysis for the conclusion of the viability of the study.
The first chapter shows the problem that exist in Ecuador due to the non-use of alternative
energies specifically in photovoltaic systems, establishing the objectives to achieve in this
project.
The second chapter is a compilation of the most important topics and basic principles to
be understood in order a photovoltaic solar system works.
The third chapter shows the elaboration of the plans of the isolated photovoltaic system
as well as the measurements of the car workshop and all the calculations to obtain an
optimum operation for each one of the components that conform the system, being the
chapter IV, the financial analysis demonstrating the costs of application, installation,
replacement of equipment and comparisons of the conventional electric power system of the
country with an isolated photovoltaic system.
In the last chapter, we were able to define our conclusions and recommendations once
the study for the implementation of the lighting network was developed using a photovoltaic
system of solar panels.
Keywords: Photovoltaic, lighting, solar energy, net.
16
CAPÍTULO I
PRELIMINARES
1.1 Definición del Problema
El problema radica en el pequeño porcentaje que ocupa en la actualidad el Ecuador en el
uso de fuentes de energía solar fotovoltaica como opción para la reducción en costos de
tarifas eléctricas en usos domésticos, empresariales, industriales. Si bien es entendible que
la generación de energía eléctrica de Ecuador durante la última década ha sido enfatizada y
dirigida hacia la producción de electricidad por medio de hidroeléctricas, la producción de
electricidad con medios de generación de energía renovables es aún incipiente.
Según El ARCONEL (Agencia de regulación y control de electricidad) el desarrollo de
la energía solar fotovoltaica efectiva en el país fue de 25,6MW lo que representó el 0,34%
de la capacidad total del país, habiendo producido 35,3GWh/año equivalente al 0,15% de la
producción total de energía. (Vizhñay, Rojas, & Barreto, 2017)
La capacidad instalada global de electricidad en paneles solares fotovoltaicos
experimentó un crecimiento exponencial, alcanzando alrededor de 227GW para finales de
2015, produciendo cerca del 1% del total de electricidad o el 0,5% del total de energía
primaria en el mundo. (Agency, 2017)
Este proyecto de titulación se apega al objetivo 3 del plan nacional del buen vivir 2017-
2021, que hace mención a: Garantizar los derechos de la naturaleza para las actuales y futuras
generaciones.
También se cumple con el objetivo 5 que hace mención a: Impulsar la productividad y
competitividad para el crecimiento económico y sostenible de manera redistributiva y
solidaria siendo parte inclusiva para una de sus metas que corresponde a: Incrementar la
generación eléctrica a través de fuentes de energías renovables, cumpliendo con la línea de
investigación de la Universidad Internacional del Ecuador: Energías alternativas.
17
1.2 Objetivos
1.2.1. Objetivo general
Reducir el gasto en tarifas eléctricas en el tecnicentro Fransan 3 a través del estudio para
la implementación de la red eléctrica en iluminación por medio de un sistema fotovoltaico
de paneles solares.
1.2.2. Objetivos específicos
Establecer un estudio técnico para la implementación de uso de energías renovables
en talleres automotrices.
Describir el tipo de componentes que forman parte de un sistema fotovoltaico de
paneles solares.
Analizar el funcionamiento de un sistema fotovoltaico de paneles solares.
Realizar una comparación en función de los beneficios obtenidos.
1.3 Alcance
Este proyecto se centrará en el estudio de la implementación de la red eléctrica en
iluminación por medio de un sistema fotovoltaico aislado de paneles solares en el tecnicentro
automotriz Fransan 3.
1.4 Justificación e importancia de la investigación
Este trabajo se realiza con el propósito de promover las alternativas en uso del correcto
manejo y aprovechamiento de las energías alternas limpias para la reducción en la
contaminación ambiental y para generar el conocimiento adecuado de los beneficios
económicos y sociales que se podrían obtener por medio de la implementación de un sistema
de energía solar para el suministro de energía eléctrica en la red de iluminación en talleres
18
automotrices, siendo así ejemplo y motivo de mejores implementaciones a nivel nacional y
latinoamericano.
En la elaboración de este estudio se logrará conocer los beneficios y el correcto uso de
este tipo de energía alterna limpia y su aprovechamiento para la solvencia de una de las
principales necesidades primordiales en la actualidad, generación de energía eléctrica.
De la misma manera aumentará el interés en distintas áreas de aplicación lo cual generará
nuevas oportunidades de trabajo y capacitaciones técnicas referentes al área. Como resultado
de este estudio nos enmarcaremos en el camino del desarrollo y buen manejo de energías
alternas limpias.
1.5 Marco Metodológico
1.5.1 Método de investigación
El método que se va a utilizar con esta investigación es cualitativo y cuantitativo ya que
a través de la incursión en esta investigación se participará obteniendo información técnica
y exacta para la elaboración del mismo a modo de cálculos para la obtención de resultados
por medio de fórmulas.
19
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
2.1 Marco Teórico
2.1.1 Energías renovables en Ecuador
El uso de fuentes de energía renovable ofrece un sin número de ventajas y beneficios para
quien la utiliza, ya sea como disminución de la contaminación ambiental reduciendo niveles
de emisiones de gases contaminantes al medio ambiente y aportando al desarrollo y
sostenibilidad ambiental a través de avances y desarrollos tecnológicos y como ventaja
política a nivel de país se reduce la importación de combustibles fósiles y por lo tanto reduce
y estabiliza costos energéticos.
Según el informe de Balance Nacional de Energía elaborado por la Agencia de
Regulación y Control de la Electricidad a septiembre del 2016 la oferta de energía eléctrica
determinada por su potencia nominal generada por fuentes renovables, la constituían:
hidroelectricidad 49,82%; biomasa 1,96%; fotovoltaica 0,36%; eólico 0,29%; biogás y el
57,54% corresponde a fuentes que usan combustibles fósiles (El universo, 2017). Esto
implica que los dos mayores porcentajes de oferta energética en Ecuador está determinada
por la energía hidroeléctrica y el continuo uso de fuentes energía fósil, dejando muy por
debajo a fuentes de energía renovable siendo uno de los principales objetivos la reducción
de generación de energía por medio de combustibles fósiles y el incremento de las diferentes
fuentes de energías renovables en el país.
La energía solar es una fuente de energía renovable obtenida del sol y con la que se
pueden generar calor y electricidad. Existen distintas maneras de recoger y aprovechar los
rayos del sol para generar energía: la fotovoltaica que transforma los rayos del sol en
electricidad mediante el uso de paneles solares, la fototérmica que aprovecha el calor a través
de los colectores solares y la termoeléctrica que transforma el calor en energía eléctrica de
forma indirecta.
20
De acuerdo a la tecnología del panel solar, estos pueden tener eficiencias de conversión
de entre 25% hasta 40%, esto implica tener paneles con potencias comprendidas entre
250𝑊
𝑚2 𝑦 400𝑊
𝑚2 . (El universo, 2017)
Los sistemas fotovoltaicos generan energía eléctrica con la base de los rayos solares. Esta
energía puede ser usada en forma directa, es decir, en usos durante algunas horas o puede
ser también acumulada en baterías para su uso nocturno o durante 24 horas.
En entornos aislados, donde se requiere poca potencia eléctrica y el acceso a la red es
difícil, como en comunidades aisladas por selvas, montañas o islas, o en estaciones
meteorológicas o repetidores de comunicaciones, empleamos los paneles solares
fotovoltaicos como la mejor alternativa económicamente viable. Para comprender la
importancia de esta posibilidad, conviene tener en cuenta que aproximadamente una cuarta
parte de la población mundial no tiene acceso a la energía eléctrica, y se calcula que existen
cerca de 7 millones de personas en el Perú y 1 millón en Ecuador que no tienen acceso a
electricidad por medio de la red pública. (El universo, 2017)
De acuerdo a un reporte de la situación de los sistemas fotovoltaicos en América Latina,
la Organización Latinoamericana de Energía (Olade) indicaba que Ecuador ha tenido
importantes iniciativas de electrificación rural con sistemas fotovoltaicos aislados, como
consecuencia de las inversiones realizadas por el Fondo de Electrificación Urbano Marginal
(Ferum), entre otras iniciativas. Además, indica Olade, Ecuador ha sido pionero en el
desarrollo de proyectos de micro redes de sistemas fotovoltaicos aislados.
Estudios realizados determinan que de un total de 1 trillón de toneladas de CO2 liberados
en el planeta desde inicios de la industrialización, el 80 % corresponde a emisiones de los
últimos 50 años. (Aguilera Folgueiras, 2012)
2.1.2. Utilización de energías renovables
Las fuentes de energía renovable han sido aprovechadas por el hombre desde siglos atrás
hasta la llegada de la revolución industrial, en la cual el carbón, con una densidad energética
muy por encima de la biomasa logró desplazar a estas. Posteriormente el petróleo se
convirtió en el recurso a utilizar debido a su mayor poder calorífico y su carácter fluido. En
el siglo XX aparece un nuevo recurso, más limpio y con mayores reservas, el gas natural
21
pero como es de suponer al igual como el petróleo y el carbón sufrirán una crisis al pasar del
tiempo debido al agotamiento de sus reservas naturales.
Debido al agotamiento inminente de las fuentes de energías fósiles, el renacimiento y
utilización de energías renovables se ha convertido en la gran dependencia de muchos países
a nivel mundial. Las energías renovables son aquellas que se producen de manera continua
y son inagotables a escala humana. Además, tienen la ventaja adicional de poder
complementarse entre sí, favoreciendo la integración entre ellas. (Méndez, García, &
Formación, 2012)
2.1.3. Tipos de energías renovables
Con las energías renovables se pueden obtener las dos formas de energía más utilizadas:
calor y electricidad. Dentro del marco de las energías renovables se pueden destacar las que
tienen un mayor desarrollo tecnológico:
Eólica
Hidráulica
Biomasa
Geotérmica
Solar
El impacto medioambiental en la generación de electricidad de las energías
convencionales es 31 veces superior al de las energías renovables, las cuales presentan las
siguientes ventajas:
Son respetuosos con el medio ambiente
No emiten gases contaminantes
No generan residuos peligrosos
Se pueden instalar en zonas rurales y aisladas
La idea de conseguir un desarrollo sostenible analizado desde una visión energética, pasa
por el uso de las energías renovables, es decir, aprovechar el sol que llega al planeta, lo cual
no potenciará el efecto invernadero ni acelerará el cambio climático, no se emitirán
sustancias contaminantes a la atmósfera y no existirá recalentamiento del planeta. (Méndez,
García, & Formación, 2012)
22
2.1.4. Producción de energía solar fotovoltaica
La oferta mundial de energía pasó de 6.642 millones de toneladas equivalentes de
petróleo (TEP) en 1980, a 10 939 millones de TEP en el 2005; a 12 170 millones de TEP en
el 2010; y, a 13 105 millones de TEP en el 2015; con una tasa media anual de crecimiento
del 1,8%, en el último decenio (2005-2015) (International Energy Agency, 2017)
La capacidad instalada global de electricidad en paneles solares fotovoltaicos
experimentó un crecimiento exponencial, alcanzando alrededor de 227GW para finales de
2015, produciendo cerca del 1% del total de electricidad o el 0,5% del total de energía
primaria en el mundo (council, 2017). Este tipo de energía ha sido instalada principalmente
en regiones con menos recursos solares, mientras que en regiones de altos recursos (África
y Medio Oriente) sigue sin explotarse. Alemania durante la última década lidera la
instalación de capacidad fotovoltaica, seguido de China, Japón, Italia y Estados Unidos. Las
proyecciones realizadas para el 2050 de la energía solar, considera un alto nivel de
penetración con lo cual la participación podrá estar entre el 18 y 31% de la generación total
(Irena, 2017)
2.2 Conversión de energía solar en electricidad
La conversión directa de la energía solar en energía eléctrica se debe a la interacción de
la radiación luminosa con los electrones en los materiales semiconductores, fenómeno
conocido como efecto fotovoltaico. (Méndez, García, & Formación, 2012)
El efecto fotoeléctrico o fotovoltaico consiste en la conversión de luz en electricidad. Este
proceso se consigue con algunos materiales como el silicio o el germanio, que tienen la
propiedad de absorber fotones y emitir electrones. Cuando los electrones libres son
capturados, se produce una corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad. Tal
como sabemos la materia está constituida por átomos, que tienen dos partes bien
diferenciadas, refiriéndonos en el aspecto eléctrico, el núcleo que posee una carga eléctrica
positiva constituido por protones y los electrones que poseen una carga eléctrica negativa.
Así de esta manera los electrones giran alrededor del núcleo en distintas bandas de energía
y compensan la carga positiva de éste, formando un conjunto estable y eléctricamente neutro.
23
Los electrones de la última capa se llaman electrones de valencia y se interrelacionan con
otros similares formando una red cristalina.
En la tabla 1 se muestra los tipos de materiales y sus características de
comportamiento de los materiales conductores, semiconductores y aislantes.
Tabla 1.
Tipos de materiales eléctricos (Méndez, García, & Formación, 2012)
2.2.1. Materiales Semiconductores
La energía que liga a los electrones de valencia con su núcleo es similar a la energía de
los fotones. Cuando la luz incide sobre el material semiconductor, se rompen los enlaces
entre el núcleo y electrones de valencia, que quedan libres para circular por el semiconductor.
Al lugar que deja el electrón al desplazarse se le llama “hueco” y tiene carga eléctrica
positiva, tal como lo muestra la figura 1.
Figura 1. Interacción de la radiación luminosa con los electrones de valencia (Méndez, García, & Formación,
2012)
Características de tipos de materiales eléctricos
Conductores
Los electrones de valencia están muy poco ligados al
núcleo y pueden moverse con facilidad dentro de la
red cristalina con un pequeño agente externo.
Semiconductores
Los electrones de valencia están más ligados al
núcleo, pero basta una pequeña cantidad de energía
para que se comporten como conductores
Aislantes
Tienen una configuración muy estable, con los
electrones de valencia muy ligados al núcleo; la
energía necesaria para separarlos de éste es muy
grande.
24
Normalmente el átomo de silicio posee 14 electrones, siendo 4 de ellos electrones de
valencia, que por lo tanto pueden participar en las interacciones con otros átomos, tanto de
silicio como de otros elementos. (Ferrari, 2016)
Hay un fuerte enlace electrostático entre un electrón y los dos átomos que contribuye a
mantener unidos. Ese enlace puede ser separado por una cierta cantidad de energía. Si la
energía suministrada es suficiente, el electrón es llevado a un nivel energético superior,
donde es libre de desplazarse, contribuyendo así al flujo de electricidad. Cuando pasa a la
banda de conducción, el electrón deja detrás de si un “hueco”, es decir, un vacío donde falta
un electrón. Un electrón cercano puede llenar fácilmente el hueco, intercambiándose así de
lugar con este. (Ferrari, 2016)
Los electrones libres y los huecos creados por la radiación tienden a recombinarse
perdiendo su actividad. Para que esto no ocurra, y poder aprovechar esta libertad de los
electrones, hay que crear en el interior del semiconductor un campo eléctrico. Para formar
el campo eléctrico necesario se utiliza un tratamiento físico y químico, creando un exceso
de átomos cargados positivamente en una parte del semiconductor, y un exceso de átomos
cargados negativamente en el otro. Prácticamente se obtiene esta condición introduciendo
pequeñas cantidades de átomos de boro (cargados positivamente) y de fósforo (cargados
negativamente) en la estructura cristalina de silicio, es decir, dopando al semiconductor.
Para crear un campo eléctrico en este tipo de semiconductor se unen dos regiones de
silicio tratadas químicamente (unión “p-n”).
2.2.2. Unión “p-n”
Para que se pueda obtener un semiconductor de silicio tipo “n”, se sustituyen algunos
átomos del silicio por átomos de fósforo, que tiene cinco electrones de valencia. Como se
necesitan solamente cuatro electrones para formar los enlaces con los átomos contiguos,
queda un electrón libre.
La figura 2 muestra la unión de las dos regiones tipo p y tipo n para lograr crear el campo
eléctrico.
25
Figura 2. Semiconductor unión p-n (Estebaranz, 2012)
De forma análoga, si se sustituyen átomos de silicio por átomos de boro, tal como muestra
la figura 3, que tiene tres electrones de valencia, se consigue un semiconductor tipo “p”. Al
igual que en el semiconductor tipo “n”, al formar los enlaces, falta un electrón, o dicho de
otra manera, hay un hueco disponible. Para conseguir una unión “p-n” se pone en contacto
una superficie de semiconductor tipo “n” con la de un semiconductor tipo “p”.
Los electrones libres del material tipo “n” tienden a ocupar los huecos del material tipo
“p” y viceversa, creándose así un campo eléctrico que se hace cada vez más grande a medida
que los electrones y los huecos continúan difundiéndose hacia lados opuestos.
Figura 3. Semiconductor de silicio tipo “p” (Méndez, García, & Formación, 2012)
2.2.3. Ancho de banda prohibida
Para que se produzca el efecto fotovoltaico, es decir, para que se produzca una corriente
eléctrica cuando incide energía sobre el material semiconductor, es necesario que los fotones
tengan una energía mayor que un valor mínimo determinado, que se denomina ancho de
banda prohibida (𝐸𝑔). (Méndez, García, & Formación, 2012)
26
A este valor mínimo también se le denomina “gap” de energía y se suele expresa en
electrón-voltios.
1 𝑒𝑉 (electrón-voltio)= 1,602 × 10−19 𝐽
La energía que se aprovecha de cada fotón es la 𝐸𝑔. En el momento cuando un electrón
recibe la energía de un fotón producto del impacto y esta energía es superior a la fuerza de
atracción del núcleo, este se libera de la órbita del átomo y viaja a través del material, es
decir, se convierte en un material conductor. Para que esto suceda la fuerza de impacto de
un fotón debe ser como mínimo, 1,2 𝑒𝑉.
2.3 Células Fotovoltaicas
Una célula fotovoltaica es un dispositivo formado por una lámina de material
semiconductor, cuyo grosor varía entre los 0,25mm y los 0,35mm, generalmente de forma
cuadrada, con una superficie de aproximadamente 100 𝑐𝑚2. Al exponerla a la radiación
solar, la célula se comporta como un generador de corriente, cuyo funcionamiento se puede
describir por medio de la característica tensión-corriente. (Ferrari, 2016)
Cada célula fotovoltaica se compone de una delgada capa de material tipo “n” y otra de
mayor espesor de material tipo “p”. Ambas capas separadas son eléctricamente neutras, y al
juntarlas se genera un campo eléctrico en la unión “p-n”.
La figura 4 muestra el principio de funcionamiento de una célula fotovoltaica.
Figura 4. Funcionamiento de una célula fotovoltaica (ABB)
27
Cuando la luz incide sobre la célula los fotones rompen el par electrón-hueco. El campo
eléctrico de la unión los separa para evitar que se recombinen, llevando los electrones a la
zona “n” y los huecos a la zona “p”. Mediante un conductor externo, se conecta la capa
negativa a la positiva, generándose así un flujo de electrones de la zona “p” a la zona “n”.
La superficie de la zona “n” es la cara que recibe la incidencia de los rayos solares. Mientras
la luz siga incidiendo habrá corriente eléctrica, y su intensidad será proporcional a la cantidad
de luz que reciba la célula.
La característica de una célula fotovoltaica es en función de tres variables fundamentales:
intensidad de la radiación solar, temperatura y área de la célula. La intensidad de la radiación
solar no tiene un efecto significativo sobre el valor de la tensión en vacío. Por el contrario,
la intensidad de corriente de cortocircuito varía de manera proporcional al variar la
intensidad de la radiación. La temperatura no tiene un efecto significativo sobre el valor de
la corriente de cortocircuito. Por el contrario, existe una relación de proporcionalidad entre
la temperatura y la tensión en vacío, disminuyendo la tensión al aumentar la temperatura.
(Ferrari, 2016)
El área de la célula no tiene efecto sobre el valor de la tensión; por el contrario, existe
una proporcionalidad directa entre ésta y la corriente disponible.
2.4 Fabricación de células fotovoltaicas
Aunque hay gran variedad de células fotovoltaicas, las más utilizadas son las de silicio
monocristalino. Para la fabricación de una célula es necesario considerar tanto los materiales
como el diseño.
La tabla 2 muestra los parámetros de diseño de una célula fotovoltaica.
Tabla 2.
Parámetros de diseño células fotovoltaicas (Banyeres, 2012)
Parámetros de diseño
Propiedades electrónicas del material, pureza y grado de cristalinidad.
Cantidad de luz absorbida en un determinado espesor de material.
Rango de longitudes de onda utilizadas por la celda.
Coste dependiendo del material, cantidad empleada y tecnología requerida.
28
2.4.1. Fabricación de células de silicio monocristalino
2.4.1.1 Elaboración del silicio
El silicio es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre, y se presenta en
forma de dióxido de silicio (𝑆𝑖𝑂2)
La tabla 3 indica los 2 procesos de obtención del silicio.
Tabla 3.
Procesos de obtención del silicio (Ferrari, 2016)
2.4.1.2 Fabricación de la célula de silicio monocristalino
La oblea de monocristal es producida por el método Czochralski, basado en la
cristalización de una “semilla” de material purísimo, que es introducido en el silicio líquido
y luego extraído y enfriado lentamente para obtener un lingote de monocristal, de forma
cilíndrica. La varilla tiene un movimiento de rotación y a la vez va ascendiendo lentamente,
de forma que se obtiene un lingote cilíndrico. Este lingote es dopado introduciendo el boro,
luego se seccionan los lingotes en obleas de espesor comprendido entre 250 y 350
micrómetros. (Ferrari, 2016)
El material sobrante se vuelve a utilizar fundiéndose de nuevo. Con el corte se dañan las
capas superficiales por lo que se tratan químicamente. De esta manera se obtienen obleas de
silicio de tipo “p” dopadas con boro.
La figura 5 muestra el método Czochralski para obtener la oblea de monocristal.
Procesos de obtención del silicio
Reducción Proceso en el que se agrega carbón en cantidades
controladas a altas temperaturas.
Por medio de este proceso se extrae el silicio llamado
de grado metalúrgico, que tiene una pureza del 98%
Purificación Proceso en el que se trata el silicio químicamente
obteniendo el llamado silicio de grado electrónico, que
tiene una pureza del 99,9999%
29
Figura 5. Método Czochralski (Méndez, García, & Formación, 2012)
El paso siguiente consiste en formar la unión “p-n”, mediante la difusión de impurezas de
tipo “n” a altas temperaturas. La profundidad de la capa”n” dependerá de la temperatura y
la duración del proceso. Para eliminar la zona “n” de la cara posterior y los lados se hace un
ataque químico localizado. La superficie de la oblea es tan pulida que puede llegar a reflejar
hasta una tercera parte de la luz incidente. Para evitarlo se crea una superficie rugosa formada
por pirámides microscópicas que hacen rebotar al rayo incidente hacia el interior de la célula.
(Ferrari, 2016)
La formación de los contactos metálicos, se lo hace utilizando técnicas serigráficas de
pastas conductoras en las dos caras de la oblea. Cuantos más contactos se pongan mayor
cantidad de electrones será capturada, pero menor iluminación llegará a la parte activa. Los
contactos en la cara iluminada tienen forma de rejilla para permitir que la luz entre en el
semiconductor, y en la cara posterior cubren toda la superficie.
Finalmente se aplica una película antireflectante a la superficie para disminuir aún más
la reflexión de la célula. Con este método junto con el texturado, se consigue que se pierda
solo un 8-10%. En laboratorio se han alcanzado rendimientos máximos del 24,7% para este
tipo de módulos siendo comercializados generalmente del 16% y de casi el 20% en unas
pocas marcas.
En la figura 6 se puede observar una célula de silicio monocristalino.
30
Figura 6. Célula de silicio monocristalino (Ferrari, 2016)
2.4.2 Otros tipos de células fotovoltaicas
Como ya lo mencionamos el material más utilizado en la fabricación de células solares
es el silicio monocristalino, aunque existen otros como:
Silicio policristalino.
Silicio Amorfo.
Teluro de Cadmio.
Etc.
2.4.2.1 Fabricación de células de silicio Policristalino
El silicio policristalino se produce a partir de silicio fundido, permitiendo que solidifique
en forma de bloque de sección cuadrada. Esto permite llenar un módulo con mayor área
activa que en el caso de las células circulares. Son visualmente muy reconocibles por
presentar su superficie un aspecto granulado.
La oblea de policristal es producida por la fusión y la sucesiva recristalización de los
desperdicios de silicio de la industria electrónica. De esta fusión se obtiene un “pan”(masa
de silicio fundido) que es cortado verticalmente en lingotes con forma de paralelepípedo
(prisma de seis caras). Con respecto al monocristal, la oblea de policristal permite un
rendimiento interesante a menor costo. (Ferrari, 2016)
Esta tecnología ha permitido reducir los costes, y los módulos de silicio policristalino
corresponden al 30% del mercado mundial.
31
Figura 7. Célula de silicio policristalino (Estebaranz, 2012)
2.4.2.2 Fabricación de células de película delgada. Células de deposición
El término “película delgada” viene del método usado para depositar la película y no el
tamaño de la misma. Este tipo de células se depositan en capas muy finas, consecutivas de
átomos, moléculas o iones y tienen muchas ventajas. (Méndez, García, & Formación, 2012)
A diferencia de la tecnología basada en el silicio cristalizado que presenta un grosor
considerable, los módulos fabricados siguiendo este tipo de tecnología en combinación con
otra estructura hacen posible conseguir módulos más finos y versátiles que permiten en
algunos casos su adaptación en superficies irregulares.
Figura 8. Módulo de silicio amorfo (Ferrari, 2016)
En la tabla 4 se describe las ventajas que presenta el uso de los tipos de célula de
película delgada.
32
Tabla 4.
Ventajas de células de película delgada (Barrera, 2010)
Se pueden utilizar varias técnicas de deposición y todas son potencialmente menos
costosas que las técnicas del lingote requeridas para el silicio cristalino. Se pueden clasificar
en:
Deposición física de vapor.
Deposición de vapor químico.
Deposición electroquímica.
Combinación de alguna de las deposiciones anteriores.
Una célula típica de película delgada no tiene una rejilla de metal para el contacto
eléctrico superior, sino una capa delgada de un óxido conductor transparente. Por encima del
óxido se coloca material antirreflejante para rematar el dispositivo, a menos que el óxido
sirva para esa función. Las células de película delgada policristalina se hacen de muchos
granos cristalinos minúsculos de material semiconductor. Los materiales usados en estas
células tienen características diferentes de las de silicio. (Barrera, 2010)
Ventajas células de película delgada
Utilizan menos material
Generalmente tienen un grosor de 1 a 10 micrómetros, mientras que las películas
gruesas son de 100 a 300 micrómetros.
Se pueden fabricar generalmente en un proceso de producción de gran área,
automatizado y continuo.
Pueden ser depositadas en materiales flexibles
Las capas se pueden depositar en varios substratos baratos como por ejemplo el
cristal, el acero inoxidable, o el plástico en cualquier forma.
Se pueden trasladar a diferentes escalas fácilmente ya que se usa la misma técnica
para hacer tanto una célula de 4cm como para hacer un módulo de 50cm x 100cm.
33
2.4.3 Tipos de células de película delgada
De Silicio Amorfo
El silicio amorfo absorbe la radiación con una eficiencia 40 veces superior a la del silicio
cristalino, por lo que sólo necesita una película de 1mm de espesor para absorber el 90% de
la luz. Consiste en una película superior altamente dopada tipo “p” de 10mm, una película
semiconductora de 500nm y una película inferior altamente dopada tipo “n” de 10 mm.
(Méndez, García, & Formación, 2012)
Módulos Tándem
Debido a que cada tipo de material aprovecha sólo una parte del espectro
electromagnético de la radiación solar, mediante la combinación de dos o más tipos de
materiales es posible aprovechar una mayor parte del mismo. Con este tipo de módulos se
han llegado a lograr rendimientos del 35% en laboratorio.
La primera opción de células solares Tándem son las CIGS (cobre, indio, galio y selenio).
Los beneficios de esta tecnología son que resultan estéticamente más atractivas, son más
eficientes y el costo de producción es reducido, aunque el proceso es bastante complejo. En
este caso la unión no es del tipo “p-n” como la del silicio, sino una heterounión compleja. El
proceso de fabricación más reciente usa la litografía, la imprenta, que tanto éxito tiene en la
electrónica impresa y los e-books. (Ferrari, 2016)
El compuesto CIGS experimenta el ciclo oxidación-reducción. Se sumerge la capa en
𝑇𝑖𝑂2(óxido de titanio) con poros nanométricos, de una superficie enorme. El colorante o
tinta fotosensible empapa la capa del óxido de titanio y queda unido de forma covalente a la
capa de titanio. Finalmente, queda debajo el electrolito iodado, sobre una película conductora
de aluminio.
Inconvenientes del CIGS
Igual que en el caso de las células CdTe (cadmio- teluro), un problema es que el teluro
de cadmio es cancerígeno, lo cual no tiene mucho sentido en una industria que pretende ser
ecológica. El otro punto que plantea muchas dudas es si al utilizar esta mezcla de materiales
para evitar el escaso silicio no se puede derivar en el mismo problema que plantea esté;
haciendo referencia al indio, del que no se tiene certeza cuanta reserva existe. Lo que si es
cierto es que no hay minas de indio en el mundo, el que existe es un subproducto de la
34
producción de zinc, latón y plomo, por lo que su producción y precio está supeditado a estos
metales, que no resultan muy atractivos al mercado actual.
Figura 9. Célula CIGS insertadas sobre un soporte flexible (Ferrari, 2016)
La segunda variante de células solares Tándem son las CIS o diseleniuro de cobre en
indio. Con rendimientos en laboratorio próximos al 17% y en módulos comerciales del 11%.
Al no usar galio como las CIGS deben usar mayor cantidad de indio y selenio. Estos últimos
no son elementos abundantes y son caros, lo que hace que la célula solar sea más cara que
la CIGS con el mismo rendimiento.
Estas células absorben el 99% de la luz en el primer micrómetro de material. La estructura
de estas células consiste generalmente de un conductor transparente, una película
antirreflectante y un semiconductor tipo “n”. La capa de la ventana es la película tipo “n”,
del orden de 0,05 a 0,1mm, y el material que generalmente se utiliza es el Cd S. (Méndez,
García, & Formación, 2012)
Figura 10. Célula CIGS insertadas sobre un soporte flexible (Ferrari, 2016)
35
Otra variante de células solares Tándem son las CZTS (cobre-zinc-estaño-azufre-
selenio). Las fotocélulas CIGS han dado mejores resultados en cuanto a eficiencia en el
laboratorio. Sin embargo, la ventaja de las celdas de CTZS es la abundancia natural de los
elementos que componen el producto final, lo que hace que éste sea también más barato. En
2010 se anunciaron resultados récord del 9,6% de eficiencia en células CZTS, un aumento
del 40% respecto a mediciones anteriores.
De Cd Te (Cadmio- Teluro)
Tiene también una absorbencia muy alta. Las películas de Cd Te del tipo “p” suelen ser
muy resistentes eléctricamente por lo que tienen grandes pérdidas internas. Para evitar las
pérdidas se construye la siguiente estructura: capa de ventana tipo “n” de Cd S, depositada
sobre una película antirreflectante, sobre la que se deposita una película semiconductora de
Cd Te y finalmente, una del tipo “p” de Zn Te. (Méndez, García, & Formación, 2012)
Esta tecnología ofrece un rendimiento energético del 12% en conversión de la energía de
la luz solar en electricidad y es menos costosa de producir. El inconveniente es que el teluro
de cadmio es una sustancia tóxica, ya que el cadmio presenta una toxicidad similar al
mercurio y si no hay un correcto manejo y control en el proceso de fabricación de estas
células puede causar problemas respiratorios graves, así como cáncer de pulmón, próstata,
riñones y vejiga urinaria. Por eso las empresas fabricantes están trabajando en el proceso de
reciclaje de sus módulos.
Figura 11. Célula de arseniuro de galio (Ferrari, 2016)
36
De Ga As (Galio- Arsénico)
Es un semiconductor compuesto formado por una mezcla de dos elementos, galio y
arsénico. El galio es un subproducto de la fundición de otros metales, como del aluminio y
del zinc, y es más raro que el oro. El arsénico no es raro, pero es venenoso. El arseniuro de
galio es especialmente conveniente para el uso en multiunión y para células solares de alta
eficiencia, por varias razones:
La 𝐸𝑔 es de 1,43𝑒𝑉, casi ideal para la máxima eficiencia de aprovechamiento del
espectro solar para una sola unión.
Tiene una absorbencia que permite una célula de solamente algunos micrones para
absorber la luz del sol.
Al contrario de las células del silicio, las células del Ga As son relativamente
insensibles al calor. Las temperaturas de la célula pueden ser muy altas,
especialmente en los usos con un concentrador
Las células Tándem de GaAs son las células solares más eficientes hasta la fecha,
alcanzando valores de hasta un 39%. También son las más costosas de producir, las láminas
de arseniuro de galio de alta calidad deben desarrollarse en cámaras cuidadosamente
controladas.
Figura 12. Célula de arseniuro de galio (Ferrari, 2016)
La tabla 5 muestra las ventajas y desventajas, así como el rendimiento energético de los
diferentes tipos de células solares.
37
Tabla 5.
Rendimiento-ventaja- desventajas de células solares (Ferrari, 2016)
Tipo de célula Rendimiento Ventajas Desventajas
Si Monocristal 16-20% Alto rendimiento.
Estable. Tecnología
contrastada (+25
años)
Costo. Energía
incorporada,
complejidad y
cantidad de
material
necesario para
fabricarlo.
Si Policristal 14% Buena relación
costo-rendimiento.
Fabricación mas
sencilla. Mejor
aprovechamiento
del espacio.
Tecnología
contrastada (+25
años)
Complejidad
fabricación.
Sensibilidad a las
impurezas.
GaAs 39% El rendimiento mas
alto. Tecnología
contrastada (+25
años)
Elevadísimo
costo. Mucho
desperdicio de
material en la
fabricación
CdTe 10% La mejor relación
costo-rendimiento.
Flexible. Mejor
rendimiento con
altas temperaturas y
radiación difusa.
Bajo
rendimiento. La
materia prima es
una sustancia
tóxica.
Tecnología no
contrastada (- 25
años)
38
2.4.4 Estructura de las células fotovoltaicas
El diseño estructural de la célula depende de las limitaciones del material usado. Los tres
diseños básicos son:
Homounión
Heterounión
Multiunión o multijunta
La tabla 6 muestra el diseño estructural homounión en una célula fotovoltaica.
Tabla 6.
Diseño estructural de homounión en una célula fotovoltaica (Méndez, García, & Formación, 2012)
Los dispositivos fotovoltaicos más comunes usan una sola junta o interfase para crear un
campo eléctrico dentro de un semiconductor, como por ejemplo una célula fotovoltaica, de
silicio monocristalino.
En este tipo de células solo aquellos fotones cuya energía sea igual o mayor a la del 𝐸𝑔
del material, pueden liberar un electrón para ser usado en un circuito eléctrico, es decir, la
reacción fotovoltaica de las células de una sola junta está limitada a la porción del espectro
solar cuya energía esté por encima de la 𝐸𝑔 del material absorbente, y por tanto aquellos
fotones con energías más bajas no son utilizados.
Homounión
El material más utilizado es el silicio cristalino, con el lado tipo”p” dominado por los
huecos y el lado tipo “n” dominado por los electrones negativos.
Requiere el uso de materiales que puedan ser de tipo “p” y de tipo “n” al doparlos, y no
muchos materiales fotovoltaicos tienen esta propiedad.
En este diseño s pueden variar diferentes aspectos de la célula para aumentar la eficacia
de la conversión:
Profundidad de la ensambladura de “p-n” debajo de la superficie de la célula.
Cantidad y distribución de los átomos del dopante de cualquier lado de la
ensambladura de “p-n”
Cristalinidad y pureza del silicio
39
2.5 Módulo solar
Los paneles o módulos fotovoltaicos son un conjunto de células conectadas
convenientemente de forma que reúnan unas condiciones determinadas que los hagan
compatibles con las necesidades y equipos existentes en el mercado. Cabe recalcar que una
célula de silicio proporciona una tensión de aproximadamente 0,5V y una potencia máxima
de entre 1 y 2 Watts. En la figura 13 se detalla las partes que forman un módulo solar.
Figura 13. Elementos de un módulo fotovoltaico (D´Addario, 2014)
Uno de los objetivos principales de los módulos respecto a las células es favorecer la
máxima captación solar evacuando el calor para mejorar el rendimiento. (Méndez, García,
& Formación, 2012). Los módulos proporcionan a las células:
Resistencia mecánica.
Protección contra los agentes ambientales externos.
Aislamiento eléctrico que garantiza su duración y la seguridad de las personas y
animales que se encuentran en su entorno.
Es preciso conectar entre sí en serie un determinado número de células para producir
tensiones de 6, 12 o 24V indicadas para la mayoría de las aplicaciones. Las células que se
utilizan para construir un panel fotovoltaico han de tener los mismos parámetros eléctricos
para que no se produzcan descompensaciones que limiten su funcionamiento. El conjunto
que se forma se denomina módulo o panel fotovoltaico. Para producir un módulo de 12V se
necesitan entre 30 y 40 células. El proceso de conexión de las células se realiza mediante
una soldadura especial que une el dorso de una célula con la cara frontal de la adyacente.
40
Terminadas las interconexiones eléctricas, las células son encapsuladas en una estructura
tipo sándwich (lamina de vidrio templado- EVA- Células- EVA-polímeros). Se procede
posteriormente a un sellado al vacío, introduciéndolo en un horno especial para su
laminación, haciendo estanco el conjunto. Si estos cuentan con un marco soporte metálico,
se rodea antes el perímetro del módulo con neopreno o algún otro material que lo proteja.
Una vez se ha finalizado la construcción del módulo se lo somete a ciertos controles con la
finalidad de garantizar una vida útil de 20 años con niveles aceptables de rendimiento:
Ciclos térmicos.
Ciclos de humedad.
Ciclos de congelación.
Resistencia al viento.
La estructura de un módulo fotovoltaico se muestra en la tabla 7 a continuación:
Tabla 7.
Estructura de un módulo fotovoltaico (Méndez, García, & Formación, 2012)
Estructura del módulo fotovoltaico
La cubierta superior es de un vidrio templado especial, resistente a los golpes y
con una superficie exterior sumamente lisa para que no retenga la suciedad. Es
muy importante su calidad óptica para asegurar la mayor transparencia a la
radiación solar.
La cubierta inferior suele ser opaca y sólo tiene una función de protección contra
los agentes externos. Se suelen utilizar materiales sintéticos, tedlar u otro vidrio.
Entre las dos cubiertas y envolviendo las células y las conexiones eléctricas, se
encuentra el material encapsulante, que debe ser transparente a la radiación solar,
no alterarse con la radiación ultravioleta y no absorber humedad. Además, protege
a las células ante posibles vibraciones y sirve de adhesivo a las cubiertas, Los
materiales que se utilizan son siliconas, polivinilo y sobretodo EVA(etil-vinil-
acetileno)
Todo esto va montado sobre un soporte metálico, de aluminio anodizado o acero
inoxidable, que confiere al panel rigidez y protección mecánica sobre todo contra
el viento.
Por último, se encuentran los elementos eléctricos externos que permiten
interconectar los paneles entre sí y con la instalación eléctrica exterior.
41
El módulo fotovoltaico tiene varias capas que recubren a las células tanto por arriba como
por abajo, brindándoles una protección mecánica y contra agentes ambientales, sobre todo
contra el agua que puede llegar a causar la oxidación de los contactos que inutilizarían la
célula.
2.6 Descripción de sistemas fotovoltaicos
Un sistema fotovoltaico es el conjunto de componentes mecánicos, eléctricos y
electrónicos que concurren para captar la energía solar disponible y transformarla en
utilizable como energía eléctrica. Estos sistemas independientemente de su utilización y del
tamaño de potencia, se pueden clasificar en:
Aislados: Con baterías; sin baterías
Conectados a la red
Híbridos: Combinados con otro tipo de generación de energía eléctrica
2.6.1 Sistemas de generación aislados
Los sistemas fotovoltaicos aislados tienen estructura en función de los elementos que lo
componen. Así, se distinguen tres tipos:
Directamente conectados a una carga.
Con regulador de carga y batería.
Con regulador de carga, batería e inversor.
2.6.1.1 Directamente conectados a una carga
Es el sistema más simple en el cual el generador fotovoltaico se conecta directamente a
la carga, que normalmente es un motor de corriente continua. Al no existir baterías ni
componentes electrónicos son bastantes fiables, pero resulta difícil mantener una eficiencia
a lo largo del día.
La figura 14 hace referencia al conjunto de elementos que conforman un sistema
aislado directo conectado a una carga.
42
Figura 14. Sistema aislado directo conectado a una carga (Méndez, García, & Formación, 2012)
2.6.1.2 Sistemas con regulador y batería
Es la configuración utilizada con módulos de 33 o 36 células, en la cual se conecta el
generador fotovoltaico a una batería a través de un regulador para que ésta no se sobrecargue.
Figura 15. Sistema aislado con regulador y batería (Méndez, García, & Formación, 2012)
2.6.1.3 Sistemas con regulador, batería e inversor
Este tipo de sistema se utiliza cuando se necesita energía en corriente alterna. La energía
generada en el sistema fotovoltaico puede ser transformada íntegramente en corriente
alterna, o pueden alimentarse simultáneamente cargas de corriente continua y de corriente
alterna.
43
Figura 16. Sistema aislado con regulador, batería e inversor (miranda, 2014)
2.7 Componentes de un sistema solar fotovoltaico Aislado
2.7.1 Acumuladores o Baterías eléctricas
Un acumulador o batería es un dispositivo electroquímico capaz de transformar una
energía potencial química en energía eléctrica. El objetivo principal de una batería en un
sistema solar fotovoltaico es la de acumular la energía producida para que pueda ser utilizada
en períodos donde se necesite.
Una batería se compone esencialmente de dos electrodos sumergidos en un electrolito
donde se producen las reacciones químicas debidas a la carga o descarga. La mayoría de las
baterías son similares en su construcción y están compuestas por un determinado número de
celdas electroquímicas.
2.7.1.1 Conexión de baterías
Las baterías se pueden conectar entre sí para incrementar el voltaje, la capacidad, o el
voltaje y la capacidad:
Conexión en serie: Las tensiones de las celdas se suman, obteniéndose baterías de
4, 6,12 Voltios, etc.
44
Conexión en paralelo: Las capacidades de las celdas se suman, manteniendo la
misma tensión.
Conexión serie y paralelo: Se incrementa tanto el voltaje como la capacidad en
amperios- hora de cada batería.
2.7.2 Tipos de baterías
2.7.2.1 Baterías de Plomo-Ácido
Este tipo de batería se usa en aplicaciones en las que el tamaño y el peso no son factores
determinantes. Dentro de la categoría plomo-ácido las más comunes son:
Plomo-Antimonio
Plomo-Selenio
Plomo-Calcio
Las denominadas estacionarias de bajo contenido en antimonio son una buena opción
para los sistemas fotovoltaicos. Hay otros tipos de baterías de plomo que permiten su
colocación casi en cualquier posición, ya que no derraman electrolito:
Selladas
De electrolito absorbido
Figura 17. Gráfico batería plomo-ácido (Banyeres, 2012)
45
2.7.2.2 Baterías de Níquel-Cadmio
Al igual que las baterías plomo-ácido, se pueden encontrar en versión estándar y selladas.
En la tabla 8 se muestran las características más relevantes que poseen este tipo de baterías.
Tabla 8.
Características baterías níquel-cadmio (Méndez, García, & Formación, 2012)
2.7.3 Reguladores de carga
En general, la primera necesidad es evitar la descarga de las baterías sobre los paneles,
para ello básicamente se emplea un diodo que evite este tránsito de energía en forma inversa.
Por otra parte se debe disponer de un sistema de regulación que evite que la batería se
sobrecargue o que se descargue más de la cuenta por que podría deteriorarse. Los reguladores
conectan el campo fotovoltaico con las baterías.
El regulador monitorea constantemente la tensión de la batería. Cuando dicha tensión
alcanza un valor para el cual se considera que la batería se encuentra cargada el regulador
interrumpe el proceso de carga. Cuando el consumo hace que la batería comience a
descargarse y por lo tanto a bajar su tensión, el regulador reconecta el generador a la batería
y vuelve a comenzar el ciclo. Estas operaciones actualmente se realizan con el apoyo de un
microprocesador que además puede gestionar la forma en que se carga la batería,
optimizando la energía que producen los paneles fotovoltaicos. (Barrera, 2010)
En el caso de reguladores de carga cuya etapa de control opera en dos pasos, la tensión
de carga a fondo de la batería puede ser algo mayor a 14,1 V. El regulador queda definido
especificando su nivel de tensión y la corriente máxima que deberá manejar.
Características
El electrolito es alcalino
Admiten descargas profundas de hasta el 90% de la capacidad nominal.
Bajo coeficiente de autodescarga.
Alto rendimiento ante variaciones extremas de temperatura.
Tensión por celda de 1,2 V
Alto rendimiento de absorción de carga
Muy alto costo comparas con las baterías ácidas
46
Tabla 9.
Tipos de reguladores (Méndez, García, & Formación, 2012)
2.7.4 Inversores de corriente
Los inversores de corriente, también llamados convertidores, son dispositivos que
transforman la corriente continua en alterna. Su funcionamiento se basa en el uso de
dispositivos electrónicos que actúan como interruptores que permiten interrumpir y
conmutar su polaridad. Existen en la actualidad dos tipos de inversores en función del tipo
de instalación a la que se destinan: Instalaciones conectadas a la red de distribución de baja
tensión; Instalaciones aisladas de la red de distribución de baja tensión.
Figura 18. Inversor de corriente continua a corriente alterna (D´Addario, 2014)
Tipos de Reguladores
Una etapa Es el diseño más simple.
Involucra una sola etapa de control: la descarga o la
carga.
Se necesitan dos reguladores, uno para cada etapa.
Dos etapas Son más complejos
Controlan la carga y la descarga simultáneamente
Son los más habituales en las instalaciones
fotovoltaicas.
47
Tabla 10.
Tipos de inversores (Méndez, García, & Formación, 2012)
Tipos de inversores de acuerdo a la instalación fotovoltaica
Instalaciones conectadas a la red de
distribución de baja tensión
Los inversores en este tipo de instalación
utilizan una fuente exterior (la red de
distribución) para realizar la conmutación.
La señal de salida del inversor sigue la
tensión y frecuencia de la red a la que vierte
la energía.
Instalaciones aisladas de la red de
distribución de baja tensión
Los inversores en este tipo de instalación
tienen una conmutación forzada
(autoconmutadas), no necesitan la red
porque ellos mismos fuerzan la
conmutación.
48
CAPITULO III
DISEÑO DE PLANOS
3.1 Diseño del Taller
El tecnicentro Fransan 3 tuvo sus inicios como un centro de lubricación en el año 1992,
durante 20 años logró expanderse y radicarse en el mercado en el sector suroeste de la ciudad
de Guayaquil e inaugurar un tecnicentro automotriz. En la actualidad ofrece servicios de
reparaciones y mantenimientos en motores, frenos, suspensión, alineación, lavado, cambio
de aceites y mecánica rápida también ofrecen servicios en venta de neumáticos, aditivos y
lubricantes. Consta de múltiples áreas tales como: área de trabajo, sala de espera, oficina de
taller, área de desechos sólidos, bodega de repuestos y oficina del jefe de taller. Los horarios
de atención son de lunes a sábados de 08:00 am a 06:00 pm y domingos de 08:30 am a 02:00
pm.
Figura 19. Plano planta baja del tecnicentro automotriz Fransan 3
Área
contable
Sala de
espera
Entrada
Sali
da
49
En la figura 20 que se muestra a continuación se encuentra el diseño del taller
correspondiente a la planta alta del tecnicentro, se encuentran ubicados los baños para
hombres, vestidores y duchas para empleados y un cuarto destinado a bodega de repuestos
en su necesidad.
Figura 20. Plano planta alta del tecnicentro automotriz Fransan 3
3.2 Ubicación geográfica del tecnicentro Fransan 3
El tecnicentro Fransan 3 se encuentra ubicado en el sector sur oeste de la ciudad de
Guayaquil en la calle 22 y Brasil esquina.
Figura 21. Ubicación geográfica tecnicentro Fransan 3 (Google maps,2018)
50
Figura 22. Vista frontal del tecnicentro Fransan 3 (Google maps, 2018)
3.3 Diseño de la red eléctrica en iluminación actual del tecnicentro Fransan 3
El diseño eléctrico de iluminación actual del tecnicentro consta de 10 lámparas
fluorescentes de 100 watts cada una para la iluminación del patio de trabajo del tecnicentro
y a su vez sirve de iluminación parcial durante las horas nocturnas como medida de seguridad
y posee también 9 focos ahorradores de 20 watts cada uno.
Figura 23. Detalle de simbologías eléctricas con descripción de objetos en plano eléctrico de iluminación
En la figura 23 se detalla el significado de las simbologías eléctricas que se encuentran
en el plano del circuito de iluminación que se muestra a continuación:
51
Figura 24. Plano sistema eléctrico en iluminación actual planta baja del tecnicentro automotriz Fransan 3
La planta alta del tecnicentro consta de un baño para hombres, área de vestidores y un
cuarto de bodega. El circuito de iluminación de la planta alta consta de 4 focos ahorradores.
Figura 25. Plano de iluminación actual planta alta del tecnicentro automotriz Fransan 3
52
3.4 Propuesta del tipo de sistema fotovoltaico a utilizar
De acuerdo a las exigencias de uso de iluminación en horas nocturnas en el tecnicentro
Fransan 3 a modo de precautelar la seguridad de la propiedad se mantienen encendidos las
iluminarias durante toda la noche, esto nos permite determinar que el sistema fotovoltaico a
implementar debe de ser un sistema aislado, es decir, un sistema fotovoltaico con baterías
para el almacenamiento de energía durante las horas de sol en el día y su posterior uso en las
horas de ausencia de radiación solar.
3.4.1. Diseño de la red eléctrica en iluminación propuesto para el sistema fotovoltaico
aislado
El diseño eléctrico de iluminación propuesto para el tecnicentro Fransan 3 consta de 4
reflectores de 50 watts cada uno para la iluminación del patio de trabajo y a su vez sirve de
iluminación parcial durante las horas nocturnas como medida de seguridad y posee también
9 focos led de 9 watts cada uno.
Figura 26. Plano sistema eléctrico en iluminación propuesto planta baja del tecnicentro automotriz Fransan 3
53
En la figura 27 se detalla el significado de las simbologías eléctricas que se encuentran
en el plano del circuito de iluminación propuesto para el tecnicentro Fransan 3.
Figura 27. Detalle de simbologías eléctricas para el plano del sistema en iluminación propuesto
El circuito de iluminación de la planta alta del tecnicentro Fransan 3 constará de la misma
cantidad de focos con diferencia de que se usarán 4 focos led de 9 watts de consumo cada
uno.
Figura 28. Plano de iluminación propuesto planta alta del tecnicentro automotriz Fransan 3
3.4.2. Diseño del plano para el sistema fotovoltaico aislado en el tecnicentro automotriz
Fransan 3
Tabla 10.
Descripción de componentes del sistema fotovoltaico aislado
Descripción de Componentes del sistema Fotovoltaico aislado
1 Sistema de paneles solares de 270 vatios conectados en serie y paralelo
2 Controlador de carga 24 VDC 40 Amperios
3 Sistema de baterías de 12VDC- 115 Amperios
4 Inversor de 120 VAC- 600 vatios
5 281 vatios de carga. Reflectores y focos led
54
La tabla 11 muestra la descripción y característica de cada componente que conforma
el sistema fotovoltaico aislado representado en el anexo 1.
3.5 Cálculos de consumo
3.5.1. Consumo eléctrico del sistema actual tecnicentro Fransan 3
Para realizar el cálculo de las cargas de consumo de energía del sistema eléctrico en
iluminación actual nos corresponde realizar las siguientes fórmulas:
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙(𝑊) = (𝑐𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎)(𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑎) Ec.( 1)
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (𝑊) = (10)(100𝑊) = 1000𝑊
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (𝑊) = (9)(20𝑊) = 180𝑊
Para obtener la potencia total consumida en el tecnicentro Fransan 3 debemos sumar las
potencias totales parciales correspondientes a cada carga. Esto nos da como resultado una
potencia total de 1180 𝑊.
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (𝐾𝑊) =𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (𝑊)
1000
Ec.( 2)
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (𝐾𝑊) =1180 𝑊
1000
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (𝐾𝑊) = 1,18 𝐾𝑊
En la Ecuación 2 se muestra la conversión de la potencia total en vatios a kilovatios. De
acuerdo al cálculo, el consumo eléctrico en iluminación del sistema actual del tecnicentro
Fransan 3 resulta 1180 𝑊 𝑜 1,18 𝐾𝑊.
A continuación, en la tabla 12 se detalla las cargas del sistema eléctrico de iluminación
actual del tecnicentro Fransan 3.
55
Tabla 11.
Cargas de energía del sistema eléctrico actual de iluminación
3.5.2. Consumo eléctrico del diseño propuesto para la red eléctrica de iluminación
Para realizar el cálculo de las cargas de consumo de energía del sistema eléctrico en
iluminación propuesto nos corresponde realizar las siguientes fórmulas:
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙(𝑊) = (𝑐𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎)(𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑎) Ec.( 3)
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (𝑊) = (4)(50 𝑊) = 200𝑊
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (𝑊) = (9)(9 𝑊) = 81 𝑊
Para obtener la potencia total consumida para el sistema propuesto en el tecnicentro
Fransan 3 debemos sumar las potencias totales parciales correspondientes a cada carga. Esto
nos da como resultado una potencia total de 281 𝑊.
Tabla de Cargas de energía con el sistema eléctrico de iluminación actual.
Cantidad Cargas P.
Unitaria
(W)
P. total
(W)
P. total
(KW)
Costo de
KW/H
Horas de
consumo
10 Lámparas
fluorescentes
100 1000 1 0.08 12
9 Focos
ahorradores
20 180 0.18 0.08 12
Total 1180 1.18
56
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (𝐾𝑊) =𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (𝑊)
1000
Ec.( 4)
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (𝐾𝑊) =281 𝑊
1000
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (𝐾𝑊) = 0,28 𝐾𝑊
Tal como se muestra en la tabla 13 se detallan las mejoras del nuevo diseño del sistema
de iluminación cambiando las lámparas fluorescentes por 4 reflectores tipo led de 50 Watts
cada uno ubicado de manera estratégica para mantener una correcta iluminación en todo el
patio del taller y a su vez un nuevo circuito para la instalación de 9 focos led para cada una
de las localidades del taller previamente situadas.
Tabla 12.
Cargas de energía del nuevo diseño de iluminación
3.5.3. Cálculo para dimensionamiento de baterías del sistema fotovoltaico aislado
Para realizar un correcto cálculo del número de baterías a utilizar en nuestro sistema,
necesitamos tener los siguientes datos: Demanda energética en Wh (vatio-hora); días de
autonomía del sistema que nos servirá para dimensionar las baterías en caso que no tengamos
Tabla de Cargas del nuevo diseño de iluminación.
Cantidad Cargas P.
Unitaria
(W)
P. total
(W)
P. total
(KW)
Costo de
KW/H
Horas de
consumo
4 Reflectores
led
50 200 0.2 0.08 12
9 Focos Led 9 81 0.08 0.08 12
Total 281
watts
0.28 KW
57
un buen clima; porcentaje de descarga de las baterías; voltaje del sistema y por último un
factor de pérdidas del sistema por cables, temperatura e inversión de voltaje.
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑎𝑙 𝑑í𝑎 (𝑊ℎ) = (𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙)(𝐻𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜) Ec.( 5)
𝑊ℎ1 = (200 𝑊)(12 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠) = 2400 𝑊ℎ
𝑊ℎ2 = (81 𝑊)(12 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠) = 972 𝑊ℎ
De igual manera sumamos las potencias totales diarias generadas por las cargas y
obtenemos la potencia total consumida en iluminación en vatios- hora en el tecnicentro
Fransan 3.
𝑊ℎ𝑡 = 2400 𝑊ℎ + 972 𝑊ℎ
𝑊ℎ𝑡 = 3372 𝑊ℎ
Ec.( 6)
Para ello se muestra la tabla 14 donde se encuentran los resultados del cálculo realizado
de potencia para dimensionamiento de baterías de nuestro sistema fotovoltaico aislado.
Tabla 13.
Cálculo de potencia total al día de consumo eléctrico en iluminación
Una vez ya calculado la potencia total diaria en vatios- hora tenemos nuestros datos
completos y se puede determinar el número y características de las baterías a utilizar en
nuestro sistema fotovoltaico aislado.
Cantidad Cargas P. P. total (W)
Unitaria
(W)
Horas de consumo P. total al día
(W/h)
4 Reflectores led 50 200 12 2400
9 Focos Led 9 81 12 972
Total 281 3372
58
Tabla 14.
Datos para el cálculo del dimensionamiento de baterías
En la tabla 15 se muestran todos los datos necesarios para realizar el cálculo respectivo y
poder determinar el número de baterías a utilizarse en el sistema fotovoltaico aislado.
3.5.4. Dimensionamiento de baterías
Para realizar un correcto cálculo para obtener las características de baterías a utilizar en
nuestro sistema, realizamos el siguiente cálculo:
𝐴ℎ =(𝑊ℎ𝑡)(𝑑í𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑎𝑢𝑡𝑜𝑛𝑜𝑚í𝑎)(𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠)
(% 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎)(𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠)
Ec.( 7)
𝐴ℎ =(3372 𝑊ℎ)(2)(1,1)
(0,5)(24 𝑉)
𝐴ℎ = 618,2
En la tabla 16 que se muestra a continuación se usarán todos los datos previamente
obtenidos para poder determinar el dimensionamiento necesario de las baterías requeridas
por nuestro sistema fotovoltaico aislado para el manejo de la red eléctrica en iluminación
por medio de paneles solares.
Datos para el cálculo del dimensionamiento de baterías
Demanda energética (W/h) 3372
Días de autonomía 2
Voltaje del sistema (V) 24
Porcentaje de descarga de las baterías (%) 50
Factor de pérdidas 1,10
59
Tabla 15.
Dimensionamiento de baterías
La cantidad de amperios-hora (Ah) nos da como resultado 618,2. Como no hay en el
mercado una batería de 618,2 Ah a 24Vdc, partiremos de estos datos para diseñar nuestros
sistemas de baterías capaz de soportar el consumo requerido. Se utilizarán 6 baterías de 12
V y 115 Ah.
3.5.5. Cálculo para dimensionamiento de paneles solares
Para el cálculo del número de paneles solares a implementar necesitamos saber los días
de uso por semana del sistema, la demanda energética la cual será la misma que se obtuvo
para el dimensionamiento de las baterías ya que esa es la carga neta a la cual va a estar
soportando el sistema, las horas solares pico durante el día, porcentaje de rendimiento del
panel solar y la potencia total de cada panel solar disponible en el mercado actual.
Tabla 16.
Datos para Dimensionamiento de paneles solares
Dimensionamiento de baterías
Días de
autonomía
P. total
al día
(Wh)
Porcentaje de
descarga
Tensión de
baterías
Factor de
pérdidas
Cantidad de Ah
por día de
consumo
2 3372 50% 24 V 1.1 618.2
Datos para el cálculo del dimensionamiento de paneles solares
Número de días de uso por semana 1
Demanda energética (Wh) 3372
Horas solar pico (HSP) 3,59
Porcentaje de rendimiento del panel solar (%) 60
Potencia total del panel solar (W) 270
60
Ya teniendo los datos tal como se muestra en la tabla 17 realizamos el cálculo para saber
el dimensionamiento de paneles solares necesarios para nuestro sistema.
𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 =(𝑊ℎ)(𝑑í𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑢𝑠𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑠𝑒𝑚𝑎𝑛𝑎)
(𝐻𝑆𝑃)(% 𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙)(𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙)
Ec.( 8)
𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 =(3372 𝑊ℎ)(1)
(3,59)(0,60)(270 𝑊)
𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 =3372 𝑊ℎ
(3,59)(0,60)(270 𝑊)
𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 =3372
581,58
𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 = 5,80
Redondeando el valor calculado 5,80 tendríamos como referencia que debemos utilizar 6
paneles solares de 270 W conectados en serie y paralelo tal como se mostró en la figura
En la tabla 18 que se muestra a continuación se detalla los resultados del cálculo para
saber la cantidad de paneles solares a utilizar en nuestro sistema fotovoltaico aislado.
Tabla 17.
Dimensionamiento de paneles solares.
El valor que se obtuvo mediante el cálculo es 5,80 el cual redondeando sabemos que la
cantidad de paneles a utilizar en nuestro sistema aislado será de 6 paneles solares de 270
watts.
Dimensionamiento de paneles solares
Días de uso
por semana
P. total
al día
(Wh)
Horas
solar
pico
(HSP)
Porcentaje de
rendimiento del
panel solar
Potencia
total del
panel
(W)
Cantidad
paneles a
utilizar
1 3372 3,59 60% 270 5,80
61
3.5.6. Cálculo para determinar el controlador de carga
Tabla 18.
Datos para el cálculo del controlador de carga
La tabla 19 indica los valores necesarios para el cálculo del dimensionamiento del
controlador de carga.
Para el cálculo del controlador de carga se necesita el porcentaje de seguridad, número
de paneles conectados en paralelo y la corriente de corto circuito del panel solar.
𝐶𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎
= (% 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑)(𝐼𝑠𝑐)( 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟𝑒𝑠 𝑒𝑛 𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜)
Ec.( 9)
𝐶𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = (1,25)(9,01)(3)
𝐶𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 33.79 A
Tabla 19.
Cálculo del controlador de carga
La cantidad de corriente que necesitamos que soporte el controlador de carga es de 33,79
amperios, la cual en el mercado encontraremos un regulador de carga de 40 amperios.
Datos para el cálculo del controlador de carga
Porcentaje de seguridad (%) 1,25%
Corriente de cortocircuito del panel (A) 9,01
Numero de paneles solares conectados en paralelo 3
Cálculo para determinar el controlador de carga
Porcentaje de
seguridad
Corriente de
cortocircuito del panel
(A)
Número de paneles solares
conectados en paralelo
Corriente del
regulador
(A)
1,25% 9,01 3 33.79
62
3.5.7. Cálculo para determinar el inversor del sistema
Para determinar la potencia necesaria del inversor realizaremos el siguiente cálculo tal
como se muestra en la ecuación 10.
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟 =(% 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑)(𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑛𝑒𝑡𝑎)
𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎
Ec.( 10)
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟 =(1,25)(281)
0,8
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟 =(1,25)(281)
0,8
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟 = 439,06 𝑊
Tabla 20.
Cálculo del inversor de corriente
En la tabla 21 se especifica la potencia que va a soportar el inversor de 439,06W, para
ello en el mercado encontraremos un inversor de 120Vac/600W.
3.6. Plan de contingencia
3.6.1. Diseño del plano sistema fotovoltaico aislado con panel de transferencia
Por motivos de prevención en caso de alguna remota falla del sistema fotovoltaico aislado
y necesidad de uso del sistema conectado a la red estatal de suministro de energía eléctrica,
se instala un panel de transferencia entre el inversor del sistema y el medidor de energía
eléctrica pública. Lo cual nos permitirá realizar manualmente el cambio de suministro de
energía requerido para el tecnicentro Fransan 3.
En el anexo 2 se muestra la implementación del panel de transferencia como medida de
contingencia ante cualquier fallo del sistema.
Dimensionamiento del inversor
% de seguridad Carga neta (W) Factor de potencia Potencia del
inversor (W)
1,25 281 0,8 439,06
63
Tabla 21.
Componentes del sistema fotovoltaico aislado con panel de transferencia
La tabla 22 muestran los componentes que forman parte del sistema fotovoltaico aislado
con panel de transferencia.
Descripción de Componentes del sistema Fotovoltaico aislado con panel de transferencia
1 Sistema de paneles solares de 270 vatios conectados en serie y paralelo
2 Controlador de carga 24 VDC 40 Amperios
3 Sistema de baterías de 12VDC- 115 Amperios
4 Inversor de 120 VAC- 600 vatios
5 Panel de transferencia
6 281 vatios de carga. Reflectores y focos led
64
CAPÍTULO IV
ANÁLISIS FINANCIERO
4.1 Cargas y costos del consumo del sistema eléctrico en iluminación actual del
tecnicentro Fransan 3
En la tabla 23 se muestra el costo del consumo diario y mensual de energía eléctrica en
iluminación con el sistema actual del tecnicentro Fransan 3 correspondiendo a un valor de
$33.98. Los valores Kw/h corresponden al nuevo pliego tarifario 2018 dispuesto por la
agencia de regulación y control de electricidad.
Tabla 22.
Cargas y costos del consumo de energía en iluminación del sistema actual
Cantidad
Cargas
P.
Unitaria
(W)
P.
total
(W)
P.
total
(KW)
Costo
de
KW/H
Horas de
consumo
Valor a
pagar
por
KW/H
por día
Valor
a
pagar
por
KW/H
por
mes
10 Lámparas
fluorescentes
100 1000 1 0.08 12 $0.96 $28.8
9 Focos
ahorradores
20 180 0.18 0.08 12 $0.17 $5.184
TOTAL $33.98
65
4.2 Cargas y costos del consumo del sistema eléctrico en iluminación propuesto para el
estudio.
Tabla 23.
Cargas y costos del consumo de energía en iluminación del sistema eléctrico propuesto
En la tabla 24 se detallan las cargas y costos del sistema eléctrico con el nuevo circuito
de reflectores y el nuevo circuito de focos. Siendo la diferencia en ahorro por consumo en
tarifas eléctricas en iluminación de $25.89 por mes.
4.3 Presupuesto para la implementación del sistema fotovoltaico aislado
En la tabla 25 que se muestra a continuación se detallan el precio unitario y total de todos
los equipos, materiales y mano de obra que se necesitarían para la instalación del sistema
fotovoltaico aislado para el manejo de la iluminación en el tecnicentro Fransan 3.
Cantidad
Cargas
P.
Unitaria
(W)
P.
total
(W)
P.
total
(KW)
Costo
de
KW/H
Horas de
consumo
Valor a
pagar
por
KW/H
por día
Valor
a
pagar
por
KW/H
por
mes
4 Reflectores
led
50 200 0.2 0.08 12 $0.19 $5.76
9 Focos led 9 81 0.08 0.08 12 $0.08 $2.33
TOTAL $8.09
66
Tabla 24.
Presupuesto del sistema fotovoltaico aislado para el tecnicentro Fransan 3
4.4 Costo del sistema de iluminación actual del tecnicentro Fransan 3 en 5 años
Tal como se muestra en la tabla 26 se detallan los costos de consumo de energía eléctrica a
razón de iluminación en el transcurso de 5 años de operación.
PRESUPUESTO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO
Cantidad Detalle Precio Unitario Precio Total
22 tubos pvc de 3/4" 1,3 28,6
12 tubos pvc de 1/2" 1 12
2 breaker de 1p-15A 5,2 10,4
1
panel de distribución de 2-4
GE 28,06 28,06
13 cajas redondas plásticas 1,12 14,56
8 conectores de 3/4" 0,4 3,2
8 conectores de 1/2" 0,35 2,8
4 rollos de cable flexible #14 34,6 138,4
30 grapas MT de 3/4" 0,25 7,5
20 grapas MT de 1/2" 0,25 5
100 tacos y tornillos f6 0,04 4
1 funda de amarras de 30 cm 6 6
4 reflectores de led de 50w 52 208
9 focos led de 9 w 2,4 21,6
9 rosetones 3,2 28,8
6
baterías de plomo - ácido de
115A 225 1350
6
paneles solares de 270w
policristalinos 325 1950
1 controlador de carga de 40 A 300 300
1 inversor de 600W 300 300
4 instalación de reflectores 20 80
1
montaje del sistema
fotovoltaico aislado 300 300
9
instalación de puntos de luz
led 15 135
sub total 4933,92
iva 12% 592,07
Total $5525,99
67
Tabla 25.
Costo del sistema actual para el tecnicentro Fransan 3 en 5 años
El total a pagar por el tecnicentro Fransan 3 por 5 años de consumo energético con el
sistema actual en iluminación tendrá un costo de $2038,8.
4.4.1. Costo del sistema de iluminación actual del tecnicentro Fransan 3 en 10 años
Tal como se muestra en la tabla 27 se detallan los costos de consumo de energía eléctrica
a razón de iluminación en el transcurso de 10 años de operación.
Tabla 26.
Costo del sistema actual para el tecnicentro Fransan 3 en 10 años
El total a pagar por el tecnicentro Fransan 3 por 10 años de consumo energético con el
sistema actual en iluminación tendrá un costo de $4077,6
4.4.2. Costo del sistema de iluminación actual del tecnicentro Fransan 3 en 20 años
Tal como se muestra en la tabla 28 se detallan los costos de consumo de energía eléctrica
a razón de iluminación en el transcurso de 20 años de operación.
Costo por consumo
de energía eléctrica
en iluminación
mensual.
Meses de consumo
de energía eléctrica.
Años de consumo
energético por
medio de CNEL
Costo total por 5
años de consumo de
energía eléctrica en
iluminación.
$33,98 12 5 $2038,8
Costo por consumo
de energía eléctrica
en iluminación
mensual.
Meses de consumo
de energía eléctrica.
Años de consumo
energético por
medio de CNEL
Costo total por 10
años de consumo de
energía eléctrica en
iluminación.
$33,98 12 10 $4077,6
68
Tabla 27.
Costo del sistema actual para el tecnicentro Fransan 3
El total a pagar por el tecnicentro Fransan 3 por 20 años de consumo energético con el
sistema actual en iluminación tendrá un costo de $8155,2.
4.4.3. Costo beneficio del sistema convencional en iluminación con el sistema
fotovoltaico aislado en 20 años
Tabla 28.
Costo beneficio del sistema fotovoltaico en 20 años
La tabla 29 nos muestra el costo de instalación del sistema fotovoltaico aislado
comparado con el costo que genera el sistema convencional en el transcurso de 20 años.
Costo por consumo
de energía eléctrica
en iluminación
mensual.
Meses de consumo
de energía eléctrica.
Años de consumo
energético por
medio de CNEL
Costo total por 20
años de consumo de
energía eléctrica en
iluminación.
$33,98 12 20 $8155,2
Costo beneficio del sistema fotovoltaico a 20 años
Costo por consumo energético
convencional para iluminación en
20 años
Costo del sistema
fotovoltaico
Ahorro por consumo
energético de alumbrado en
20 años
$ 8155,2 $ 5.525,99 $ 3894,95
69
4.4.4. Equipos del sistema fotovoltaico aislado a renovar en el transcurso de 5 años
Tabla 29.
Detalle financiero de equipos que se renovarán en 5 años
La tabla 30 indica el costo de reposición de equipos en el transcurso de 5 años de
funcionamiento.
4.4.5. Equipos del sistema fotovoltaico aislado a renovar en el transcurso de 10 años
Tabla 30.
Detalle financiero de equipos que se renovarán en 10 años
Equipos que se renovaran a lo largo de 5 años
Detalle
Número
de
veces
que se
cambian
en 5
años
Costo por equipos Costo total
Reflectores de led de
50w 1 $ 208,00 $ 208
Focos led de 9 w 1 $ 21,60 $ 21,60
Baterías de plomo -
acido de 115A 2 $ 1.350,00 $ 2,700
Adicionales a pagar en el
transcurso de 5 años $ 2929,6
Equipos que se renovaran a lo largo de 10 años
Detalle
Número
de
veces
que se
cambian
en 10
años
Costo por equipos Costo total
Reflectores de led de
50w 2 $ 208,00 $ 416,00
Focos led de 9 w 2 $ 21,60 $ 43,20
Baterías de plomo -
acido de 115A 4 $ 1.350,00 $ 5.400
Adicionales a pagar en el
transcurso de 10 años $ 5.859,2
70
4.4.6. Equipos del sistema fotovoltaico aislado a renovar en el transcurso de 20 años
Tabla 31.
Detalle financiero de equipos que se renovarán en 20 años
El sistema fotovoltaico aislado necesita reposición de equipos en el transcurso de 20 años
de funcionamiento. En la tabla 32 se indican los costos y numero de reposiciones necesarias
para el sistema aislado en 20 años de uso.
4.4.7. Costo del sistema fotovoltaico aislado en 5 años
Tabla 32. Detalle financiero del costo total del sistema fotovoltaico aislado en 5 años
Equipos que se renovaran a lo largo de 20 años
Detalle
Número
de
veces
que se
cambian
en 20
años
Costo por equipos Costo total
Reflectores de led de
50w 4 $ 208,00 $ 832,00
Focos led de 9 w 5 $ 21,60 $ 108,00
Baterías de plomo -
acido de 115A 8 $ 1.350,00 $ 10.800,00
Adicionales a pagar en el
transcurso de 20 años $ 11.740,00
Costo del sistema fotovoltaico a 5 años
Costo del sistema
fotovoltaico
Adicionales a pagar en el
transcurso de 5 años
Costo del sistema
fotovoltaico en 5 años
$ 5.660,39 $ 2.929,6 $ 8.589,99
71
El costo del sistema fotovoltaico aislado en 5 años es de $8.589,99 tal como se muestra
en la tabla 33.
4.4.8. Costo del sistema fotovoltaico aislado en 10 años
Tabla 33. Detalle financiero del costo total del sistema fotovoltaico aislado en 10 años
El costo del sistema fotovoltaico aislado en 10 años es de $11.519,59 tal como se muestra
en la tabla 34.
4.4.9. Costo del sistema fotovoltaico aislado en 20 años
Tabla 34.
Detalle financiero del costo total del sistema fotovoltaico aislado en 20 años
La tabla 35 muestra el resultado de la suma de instalación del sistema fotovoltaico aislado
con los costos de reposición en el transcurso de 20 años de funcionamiento.
Costo del sistema fotovoltaico a 10 años
Costo del sistema
fotovoltaico
Adicionales a pagar en el
transcurso de 10 años
Costo del sistema
fotovoltaico en 10 años
$ 5.660,39 $ 5.859,2 $ 11.519,59
Costo del sistema fotovoltaico a 20 años
Costo del sistema
fotovoltaico
Adicionales a pagar en el
transcurso de 20 años
Costo del sistema
fotovoltaico en 20 años
$ 5.660,39 $ 11.740,00 $ 17.400,39
72
CAPÍTULO V
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1 Conclusiones
Se estableció la explicación del principio del efecto fotovoltaico siendo el silicio el
material semiconductor de mayor utilización en el proceso de fabricación de paneles
solares para su aplicación en áreas residenciales e industriales y su secuencia en cada
uno de los componentes hasta la etapa final que es la producción de energía eléctrica
dirigidas a las cargas a consumir.
Se detallaron cada uno de los componentes que forman un sistema fotovoltaico
aislado de paneles solares para la implementación en el manejo de la iluminación del
tecnicentro Fransan 3. De acuerdo a los requerimientos del taller se necesitarían 6
baterías de plomo- ácido de 115 amperios, 6 paneles solares policristalinos de 270
vatios,1 controlador de carga de 40 amperios, un inversor de corriente de 600 vatios
y un panel de transferencia para su uso en caso de presentarse algún fallo en el
sistema.
Como parte final del estudio realizado el costo final de instalación del sistema
fotovoltaico aislado y sus costos de reposición de equipos para el transcurso de 20
años representa un gasto muy elevado a diferencia de los valores actuales que se
pagan para el sistema de iluminación convencional conectado a la red pública de
energía eléctrica proyectados en 20 años de consumo, siendo esta diferencia
aproximada de $9.245,19. No representando así un sistema viable a implementar para
el tecnicentro Fransan 3.
Los beneficios generados en base a la capacidad del sistema fotovoltaico aislado en
el tecnicentro Fransan 3 corresponde a la reducción de 2.06 toneladas de emisiones
de CO2 por año, siendo 1 kWh de energía solar generada equivalente a 1 Kg de CO2
no emitidos al medio ambiente.
73
5.2 Recomendaciones
Al momento de realizar la instalación del sistema hay que tener en cuenta las pérdidas
que se generan en el paso de la corriente entre los componentes, es decir, se
recomienda que el calibre de cable utilizado pueda manejar el 125 por ciento de la
corriente continua de la carga.
Para estos tipos de instalaciones donde muchas veces no existen los componentes
con los requerimientos necesarios para usar en los sistemas fotovoltaicos en valores
de tensiones y capacidad se recomienda realizar las conexiones en paralelo o en serie
de acuerdo a las necesidades en voltajes o amperios-horas a consumir y así lograr
crear un sistema que se adapte a los requerimientos del mismo.
Para localidades donde no sea necesaria el uso de un sistema fotovoltaico en horas
nocturnas es recomendable implementar un sistema conectado a la red que suministre
de energía a todas las cargas las cuales sean posibles de acuerdo a la capacidad de la
planta solar y así disminuir su consumo.
Los paneles solares tienen una vida útil de entre 20 y 30 años dependiendo el origen
de fabricación, se recomienda el reciclaje de estos paneles ya que al ser arrojados sin
control alguno al medio ambiente crean ambientes contaminados debido a la
toxicidad de las diferentes partes de los cuales están constituidos los paneles solares.
74
BIBLIOGRAFÍA
ABB. (s.f.). Cuaderno de aplicaciones técnicas #10.
Aguilera Folgueiras, J. A. (2012). Fuentes de energía y protocolo de Kioto en la evolución
del sistema eléctrico español. Universidad de Oviedo.
ARCONEL. (2017) Normativa y regulaciones. [Online].Disponible: https://goo.gl/RFuerV
Banyeres, L. J. (2012). Generación de energía solar fotovoltaica. En L. J. Banyeres,
Generación de energía solar fotovoltaica (pág. 2025). Barcelona: S.A.
MARCOMBO.
Barrera, M. F. (2010). Energía solar: Electricidad Fotovoltáica. Madrid: Liberfactory.
council, W. e. (2017). world energy issues monitor.
D´Addario, M. (2014). Manual de energía solar fotovoltaica. Lulu.
Dunlop, J. (2012). Introduction to photovoltaic systems.
El universo. (Viernes de Junio de 2017). EL UNIVERSO. Recuperado el miercoles de
Junio de 2018, de:
https://www.eluniverso.com/tendencias/2017/06/10/nota/6222868/energia-solar-se-
abre-terreno-ecuador
EL UNIVERSO. (2017). La energía solar se abre terreno en Ecuador. El universo, 2.
Estebaranz, A. P. (2012). Análisis de los datos técnicos de los inversores fotovoltaicos de
conexión a red. Madrid.
Tobajas, M. C. (2018). Energía solar fotovoltaica. S.L Ediciones Ceysa. Cano pina.
Ferrari, M. (2016). Manual Técnico Comercial Energia Solar Fotovoltaica. Autor- Editor.
International Energy Agency. (2017). Key world energy statistics.
Irena. (2017). Estadisticas de capacidad renovable .
Lamigueiro, O. P. (2018). Energía solar fotovoltaica.
Méndez, J. M., García, R. C., & Formación, B. V. (2012). Energía Solar Fotovoltaica. En
J. M. Méndez, R. C. García, & B. V. Formación, Energía Solar Fotovoltaica.
Madrid: Fundación Confemetal.
Mg trading soluciones tecnológicas (Agosto,2018). Disponible en:http://www.mg.com.pe/.
OLADE. (2008) Atlas solar del Ecuador con fines de generación eléctrica. Organización
Latinoamericana de Energía. [Online].Disponible: https://goo.gl/xyQQTt
Tobajas, M. C. (2018). Energía solar fotovoltaica. S.L Ediciones Ceysa. Cano pina.
75
Vizhñay, J. M., Rojas, M. V., & Barreto, C. R. (2017). Incentivo a la generación distribuida
en el Ecuador. Loja.
76
ANEXOS
Anexo 1
77
Anexo 2